Die Geburt der Quantentheorie. Fotoeffekt

Niemand auf der Welt versteht die Quantenmechanik – das ist das Wichtigste, was Sie darüber wissen müssen. Ja, viele Physiker haben gelernt, seine Gesetze zu nutzen und mithilfe von Quantenberechnungen sogar Phänomene vorherzusagen. Es ist jedoch immer noch nicht klar, warum die Anwesenheit eines Beobachters das Schicksal des Systems bestimmt und es dazu zwingt, sich für einen Staat zu entscheiden. „Theories and Practices“ wählte Beispiele von Experimenten aus, deren Ausgang unweigerlich vom Beobachter beeinflusst wird, und versuchte herauszufinden, was die Quantenmechanik mit solchen Eingriffen des Bewusstseins in die materielle Realität machen wird.

Shroedingers Katze

Heutzutage gibt es viele Interpretationen der Quantenmechanik, von denen die Kopenhagener nach wie vor die beliebteste ist. Seine Grundprinzipien wurden in den 1920er Jahren von Niels Bohr und Werner Heisenberg formuliert. Und der zentrale Begriff der Kopenhagener Interpretation war die Wellenfunktion – eine mathematische Funktion, die Informationen über alle möglichen Zustände eines Quantensystems enthält, in dem sie sich gleichzeitig befindet.

Nach der Kopenhagener Interpretation kann nur die Beobachtung den Zustand eines Systems zuverlässig bestimmen und es vom Rest unterscheiden (die Wellenfunktion hilft lediglich dabei, die Wahrscheinlichkeit, ein System in einem bestimmten Zustand zu entdecken, mathematisch zu berechnen). Wir können sagen, dass ein Quantensystem nach der Beobachtung klassisch wird: Es hört sofort auf, in vielen Zuständen gleichzeitig zu existieren, und stattdessen einen von ihnen.

Dieser Ansatz hatte schon immer seine Gegner (denken Sie zum Beispiel an „Gott würfelt nicht“ von Albert Einstein), aber die Genauigkeit der Berechnungen und Vorhersagen forderte ihren Tribut. Allerdings gibt es in letzter Zeit immer weniger Befürworter der Kopenhagener Interpretation, was nicht zuletzt an dem sehr mysteriösen augenblicklichen Zusammenbruch der Wellenfunktion während der Messung liegt. Erwin Schrödingers berühmtes Gedankenexperiment mit der armen Katze sollte gerade die Absurdität dieses Phänomens aufzeigen.

Erinnern wir uns also an den Inhalt des Experiments. In einer Blackbox werden eine lebende Katze, eine Ampulle mit Gift und ein bestimmter Mechanismus, der das Gift nach dem Zufallsprinzip in die Tat umsetzen kann, platziert. Zum Beispiel ein radioaktives Atom, dessen Zerfall die Ampulle zerbrechen lässt. Der genaue Zeitpunkt des Atomzerfalls ist unbekannt. Bekannt ist nur die Halbwertszeit: die Zeit, in der der Zerfall mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 % erfolgt.

Es stellt sich heraus, dass die Katze in der Box für einen externen Beobachter in zwei Zuständen gleichzeitig existiert: Sie ist entweder lebendig, wenn alles gut geht, oder tot, wenn Verfall eingetreten ist und die Ampulle zerbrochen ist. Beide Zustände werden durch die Wellenfunktion der Katze beschrieben, die sich mit der Zeit verändert: Je weiter entfernt, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass bereits radioaktiver Zerfall stattgefunden hat. Doch sobald die Schachtel geöffnet wird, bricht die Wellenfunktion zusammen und wir sehen sofort das Ergebnis des Knacker-Experiments.

Es stellt sich heraus, dass die Katze, bis der Beobachter die Kiste öffnet, für immer an der Grenze zwischen Leben und Tod balancieren wird und nur die Aktion des Beobachters ihr Schicksal bestimmen wird. Das ist die Absurdität, auf die Schrödinger hingewiesen hat.

Elektronenbeugung

Laut einer Umfrage der New York Times unter führenden Physikern wurde das 1961 von Klaus Jenson durchgeführte Experiment mit Elektronenbeugung zu einem der schönsten in der Geschichte der Wissenschaft. Was ist sein Wesen?

Es gibt eine Quelle, die einen Elektronenfluss in Richtung des Schirms der Fotoplatte aussendet. Und diesen Elektronen steht ein Hindernis im Weg – eine Kupferplatte mit zwei Schlitzen. Was für ein Bild können Sie auf dem Bildschirm erwarten, wenn Sie sich Elektronen nur als kleine geladene Kugeln vorstellen? Zwei Leuchtstreifen gegenüber den Schlitzen.

In Wirklichkeit erscheint auf dem Bildschirm ein viel komplexeres Muster aus abwechselnden schwarzen und weißen Streifen. Tatsache ist, dass sich Elektronen beim Durchgang durch die Schlitze nicht mehr wie Teilchen, sondern wie Wellen verhalten (so wie Photonen, Lichtteilchen, gleichzeitig Wellen sein können). Dann interagieren diese Wellen im Raum, schwächen und verstärken sich an manchen Stellen gegenseitig und als Ergebnis erscheint auf dem Bildschirm ein komplexes Bild aus abwechselnden hellen und dunklen Streifen.

In diesem Fall ändert sich das Ergebnis des Experiments nicht, und wenn Elektronen nicht in einem kontinuierlichen Strom, sondern einzeln durch den Spalt geschickt werden, kann sogar ein Teilchen gleichzeitig eine Welle sein. Sogar ein Elektron kann gleichzeitig zwei Spalte passieren (und dies ist ein weiterer wichtiger Punkt der Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik – Objekte können gleichzeitig ihre „normalen“ Materialeigenschaften und exotischen Welleneigenschaften aufweisen).

Aber was hat der Beobachter damit zu tun? Trotz der Tatsache, dass seine ohnehin schon komplizierte Geschichte noch komplizierter wurde. Als Physiker in ähnlichen Experimenten versuchten, mit Hilfe von Instrumenten nachzuweisen, welche Schlitze das Elektron tatsächlich passierten, änderte sich das Bild auf dem Bildschirm dramatisch und wurde „klassisch“: zwei beleuchtete Bereiche gegenüber den Schlitzen und keine abwechselnden Streifen.

Es war, als wollten die Elektronen ihre Wellennatur unter dem wachsamen Blick des Beobachters nicht zeigen. Wir haben uns auf seinen instinktiven Wunsch eingestellt, ein einfaches und verständliches Bild zu sehen. Mystiker? Es gibt eine viel einfachere Erklärung: Keine Beobachtung des Systems kann ohne physikalischen Einfluss darauf durchgeführt werden. Aber darauf kommen wir etwas später zurück.

Erhitztes Fulleren

Experimente zur Teilchenbeugung wurden nicht nur an Elektronen, sondern auch an viel größeren Objekten durchgeführt. Beispielsweise sind Fullerene große, geschlossene Moleküle, die aus Dutzenden von Kohlenstoffatomen bestehen (ein Fulleren mit sechzig Kohlenstoffatomen hat beispielsweise eine sehr ähnliche Form wie ein Fußball: eine hohle Kugel, die aus Fünfecken und Sechsecken zusammengefügt ist).

Kürzlich versuchte eine Gruppe der Universität Wien unter der Leitung von Professor Zeilinger, ein Element der Beobachtung in solche Experimente einzuführen. Dazu bestrahlten sie bewegte Fullerenmoleküle mit einem Laserstrahl. Anschließend begannen die Moleküle, durch äußere Einflüsse erhitzt, zu leuchten und verrieten so dem Betrachter unweigerlich ihren Platz im Raum.

Mit dieser Innovation veränderte sich auch das Verhalten der Moleküle. Vor Beginn der totalen Überwachung umgingen Fullerene Hindernisse recht erfolgreich (sie zeigten Welleneigenschaften), wie zum Beispiel Elektronen aus dem vorherigen Beispiel, die durch einen undurchsichtigen Schirm gingen. Doch später, mit dem Erscheinen eines Beobachters, beruhigten sich die Fullerene und begannen sich wie völlig gesetzestreue Materieteilchen zu verhalten.

Kühldimension

Eines der bekanntesten Gesetze der Quantenwelt ist die Heisenbergsche Unschärferelation: Es ist unmöglich, gleichzeitig Position und Geschwindigkeit eines Quantenobjekts zu bestimmen. Je genauer wir den Impuls eines Teilchens messen, desto ungenauer kann seine Position gemessen werden. Aber die Auswirkungen der Quantengesetze, die auf der Ebene winziger Teilchen wirken, sind in unserer Welt der großen Makroobjekte normalerweise nicht wahrnehmbar.

Umso wertvoller sind daher die jüngsten Experimente der Gruppe von Professor Schwab aus den USA, bei denen Quanteneffekte nicht auf der Ebene derselben Elektronen oder Fullerenmoleküle (ihr charakteristischer Durchmesser beträgt etwa 1 nm), sondern auf einer etwas greifbareren Ebene nachgewiesen wurden Objekt - ein winziger Aluminiumstreifen.

Dieser Streifen war auf beiden Seiten befestigt, so dass seine Mitte aufgehängt war und bei äußerer Einwirkung vibrieren konnte. Darüber hinaus befand sich neben dem Streifen ein Gerät, das seine Position mit hoher Genauigkeit aufzeichnen konnte.

Dabei entdeckten die Experimentatoren zwei interessante Effekte. Erstens verlief jede Messung der Position des Objekts oder die Beobachtung des Streifens nicht spurlos – nach jeder Messung änderte sich die Position des Streifens. Grob gesagt bestimmten die Experimentatoren die Koordinaten des Streifens mit großer Genauigkeit und veränderten dadurch nach dem Heisenberg-Prinzip seine Geschwindigkeit und damit seine spätere Position.

Zweitens führten einige Messungen völlig unerwartet auch zu einer Abkühlung des Bandes. Es stellt sich heraus, dass ein Beobachter allein durch seine Anwesenheit die physikalischen Eigenschaften von Objekten verändern kann. Es klingt völlig unglaublich, aber zur Ehre der Physiker muss man sagen, dass sie nicht ratlos waren – jetzt denkt die Gruppe von Professor Schwab darüber nach, wie man den entdeckten Effekt auf kühle elektronische Chips anwenden kann.

Gefrierende Partikel

Wie Sie wissen, zerfallen instabile radioaktive Partikel auf der Welt nicht nur für Experimente an Katzen, sondern auch völlig von selbst. Darüber hinaus zeichnet sich jedes Teilchen durch eine durchschnittliche Lebensdauer aus, die sich unter dem wachsamen Blick des Beobachters erhöhen kann.

Dieser Quanteneffekt wurde erstmals in den 1960er Jahren vorhergesagt und seine brillante experimentelle Bestätigung erschien in einem 2006 von der Gruppe des Nobelpreisträgers für Physiker Wolfgang Ketterle am Massachusetts Institute of Technology veröffentlichten Artikel.

In dieser Arbeit untersuchten wir den Zerfall instabiler angeregter Rubidiumatome (Zerfall in Rubidiumatome im Grundzustand und Photonen). Unmittelbar nach der Vorbereitung des Systems und der Anregung der Atome begann man, sie zu beobachten – sie wurden mit einem Laserstrahl beleuchtet. In diesem Fall wurde die Beobachtung in zwei Modi durchgeführt: kontinuierlich (kleine Lichtimpulse werden dem System ständig zugeführt) und gepulst (das System wird von Zeit zu Zeit mit stärkeren Impulsen bestrahlt).

Die erzielten Ergebnisse stimmten hervorragend mit theoretischen Vorhersagen überein. Äußere Lichteinflüsse verlangsamen tatsächlich den Zerfall von Partikeln, als würden sie sie in ihren ursprünglichen Zustand zurückversetzen, weit entfernt vom Zerfall. Darüber hinaus stimmt auch das Ausmaß des Effekts für die beiden untersuchten Regime mit den Vorhersagen überein. Und die maximale Lebensdauer instabil angeregter Rubidiumatome wurde um das 30-fache verlängert.

Quantenmechanik und Bewusstsein

Elektronen und Fullerene verlieren ihre Welleneigenschaften, Aluminiumplatten kühlen ab und instabile Teilchen gefrieren in ihrem Zerfall: Unter dem allmächtigen Blick des Beobachters verändert sich die Welt. Was ist kein Beweis dafür, dass unser Geist an der Arbeit der Welt um uns herum beteiligt ist? Vielleicht hatten Carl Jung und Wolfgang Pauli (österreichischer Physiker, Nobelpreisträger, einer der Pioniere der Quantenmechanik) Recht, als sie sagten, dass die Gesetze der Physik und des Bewusstseins als komplementär betrachtet werden sollten?

Aber das ist nur ein Schritt von der routinemäßigen Erkenntnis entfernt: Die ganze Welt um uns herum ist die Essenz unseres Geistes. Unheimlich? („Glauben Sie wirklich, dass der Mond nur dann existiert, wenn Sie ihn betrachten?“ Einstein kommentierte die Prinzipien der Quantenmechanik). Dann versuchen wir noch einmal, uns an die Physiker zu wenden. Darüber hinaus haben sie in den letzten Jahren immer weniger Gefallen an der Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik mit ihrem mysteriösen Zusammenbruch einer Funktionswelle gefunden, die durch einen anderen, recht bodenständigen und zuverlässigen Begriff ersetzt wird – Dekohärenz.

Der Punkt ist folgender: Bei allen beschriebenen Beobachtungsexperimenten haben die Experimentatoren zwangsläufig Einfluss auf das System genommen. Sie beleuchteten es mit einem Laser und installierten Messgeräte. Und das ist ein allgemeines, sehr wichtiges Prinzip: Man kann ein System nicht beobachten und seine Eigenschaften nicht messen, ohne mit ihm zu interagieren. Und wo es Interaktion gibt, gibt es eine Veränderung der Eigenschaften. Darüber hinaus, wenn der Koloss der Quantenobjekte mit einem winzigen Quantensystem interagiert. Daher ist eine ewige, buddhistische Neutralität des Betrachters unmöglich.

Genau daraus erklärt sich der Begriff „Dekohärenz“ – ein irreversibler Prozess der Verletzung der Quanteneigenschaften eines Systems während seiner Interaktion mit einem anderen, größeren System. Bei einer solchen Wechselwirkung verliert das Quantensystem seine ursprünglichen Eigenschaften und wird klassisch, indem es sich dem großen System „unterwirft“. Dies erklärt das Paradoxon bei Schrödingers Katze: Die Katze ist ein so großes System, dass sie einfach nicht von der Welt isoliert werden kann. Das Gedankenexperiment selbst ist nicht ganz richtig.

Im Vergleich zur Realität als Akt der Bewusstseinsbildung klingt Dekohärenz jedenfalls deutlich ruhiger. Vielleicht sogar zu ruhig. Schließlich wird mit diesem Ansatz die gesamte klassische Welt zu einem einzigen großen Dekohärenzeffekt. Und laut den Autoren eines der seriösesten Bücher auf diesem Gebiet ergeben sich aus solchen Ansätzen auch logischerweise Aussagen wie „Es gibt keine Teilchen auf der Welt“ oder „Es gibt keine Zeit auf einer fundamentalen Ebene“.

Kreativer Beobachter oder allmächtige Dekohärenz? Sie müssen zwischen zwei Übeln wählen. Aber denken Sie daran: Mittlerweile sind Wissenschaftler zunehmend davon überzeugt, dass die Grundlage unserer Denkprozesse dieselben berüchtigten Quanteneffekte sind. Wo also die Beobachtung endet und die Realität beginnt – jeder von uns muss entscheiden.

Im Jahr 1935, als die Quantenmechanik und Einsteins allgemeine Relativitätstheorie noch sehr jung waren, führte der nicht ganz so berühmte sowjetische Physiker Matvei Bronstein im Alter von 28 Jahren die erste detaillierte Studie über die Vereinbarkeit dieser beiden Theorien in der Quantentheorie durch Schwere. Diese „vielleicht eine Theorie der ganzen Welt“, wie Bronstein schrieb, könnte Einsteins klassische Beschreibung der Schwerkraft ersetzen, in der sie als Kurven im Raum-Zeit-Kontinuum betrachtet wird, und sie wie den Rest der Physik in Quantensprache umschreiben.

Bronstein fand heraus, wie man die Schwerkraft anhand quantisierter Teilchen, die heute Gravitonen genannt werden, beschreiben kann, allerdings nur, wenn die Schwerkraft schwach ist – das heißt (in der Allgemeinen Relativitätstheorie), wenn die Raumzeit so leicht gekrümmt ist, dass sie im Wesentlichen flach ist. Wenn die Schwerkraft stark sei, „ist die Situation völlig anders“, schrieb der Wissenschaftler. „Ohne eine tiefgreifende Überarbeitung klassischer Konzepte scheint es fast unmöglich, sich eine Quantentheorie der Schwerkraft auf diesem Gebiet vorzustellen.“

Seine Worte waren prophetisch. 83 Jahre später versuchen Physiker immer noch zu verstehen, wie sich die Raumzeitkrümmung auf makroskopischen Skalen manifestiert, die aus einem grundlegenderen und vermutlich quantenmechanischen Bild der Schwerkraft resultiert. Dies ist vielleicht die tiefgreifendste Frage der Physik. Vielleicht, wenn es eine Chance gäbe, würde Bronsteins kluger Verstand den Prozess dieser Suche beschleunigen. Neben der Quantengravitation leistete er auch Beiträge zur Astrophysik und Kosmologie, zur Halbleitertheorie und zur Quantenelektrodynamik und schrieb mehrere Bücher für Kinder. 1938 geriet er unter Stalins Repressionen und wurde im Alter von 31 Jahren hingerichtet.

Die Suche nach einer vollständigen Theorie der Quantengravitation wird durch die Tatsache erschwert, dass sich die Quanteneigenschaften der Schwerkraft niemals in der realen Erfahrung manifestieren. Die Physiker sehen keinen Verstoß gegen Einsteins Beschreibung eines glatten Raum-Zeit-Kontinuums oder Bronsteins Quantennäherung davon in einem leicht gekrümmten Zustand.

Das Problem ist die extreme Schwäche der Gravitationskraft. Während quantisierte Teilchen, die starke, schwache und elektromagnetische Kräfte übertragen, so stark sind, dass sie Materie fest zu Atomen binden und buchstäblich unter der Lupe untersucht werden können, sind einzelne Gravitonen so schwach, dass Labore keine Chance haben, sie nachzuweisen. Um eine hohe Wahrscheinlichkeit zu haben, ein Graviton einzufangen, müsste der Teilchendetektor so groß und massiv sein, dass er in ein Schwarzes Loch kollabiert. Diese Schwäche erklärt, warum astronomische Massenanhäufungen erforderlich sind, um andere massive Körper durch die Schwerkraft zu beeinflussen, und warum wir Gravitationseffekte in enormen Ausmaßen beobachten.

Das ist nicht alles. Das Universum scheint einer Art kosmischer Zensur zu unterliegen: Regionen mit starker Schwerkraft – in denen die Raumzeitkurven so scharf sind, dass Einsteins Gleichungen zusammenbrechen und die Quantennatur von Schwerkraft und Raumzeit enthüllt werden muss – lauern immer hinter den Horizonten von Schwarzen Löchern.

„Noch vor einigen Jahren herrschte allgemeiner Konsens darüber, dass es höchstwahrscheinlich unmöglich sei, die Quantisierung des Gravitationsfeldes auf irgendeine Weise zu messen“, sagt Igor Pikovsky, theoretischer Physiker an der Harvard University.

Nun haben mehrere kürzlich in Physical Review Letters veröffentlichte Artikel das geändert. In diesen Arbeiten wird die Behauptung aufgestellt, dass es möglich sein könnte, zur Quantengravitation zu gelangen – auch ohne etwas darüber zu wissen. Die von Sugato Bose vom University College London sowie Chiara Marletto und Vlatko Vedral von der University of Oxford verfassten Arbeiten schlagen ein technisch anspruchsvolles, aber machbares Experiment vor, das bestätigen könnte, dass die Schwerkraft wie alle anderen eine Quantenkraft ist, ohne dass ein Graviton nachgewiesen werden muss . Miles Blencowe, ein Quantenphysiker am Dartmouth College, der nicht an dieser Arbeit beteiligt war, sagt, ein solches Experiment könnte eine klare Signatur der unsichtbaren Quantengravitation enthüllen – „das Lächeln der Grinsekatze“.

Das vorgeschlagene Experiment wird feststellen, ob zwei Objekte – Boses Gruppe plant die Verwendung eines Mikrodiamantenpaares – durch gegenseitige Gravitationsanziehung quantenmechanisch miteinander verschränkt werden können. Verschränkung ist ein Quantenphänomen, bei dem Teilchen untrennbar miteinander verflochten sind und eine einzige physikalische Beschreibung teilen, die ihre möglichen kombinierten Zustände definiert. (Die Koexistenz verschiedener möglicher Zustände wird „Superposition“ genannt und definiert ein Quantensystem.) Beispielsweise kann ein Paar verschränkter Teilchen in einer Überlagerung existieren, bei der sich Teilchen A mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 % von unten nach oben dreht, während sich Teilchen B von oben nach unten dreht und umgekehrt mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 %. Niemand weiß im Voraus, welches Ergebnis man bei der Messung der Spinrichtung von Teilchen erhält, aber man kann sicher sein, dass es bei ihnen dasselbe sein wird.

Die Autoren argumentieren, dass sich die beiden Objekte im vorgeschlagenen Experiment nur dann auf diese Weise verschränken können, wenn die zwischen ihnen wirkende Kraft – in diesem Fall die Schwerkraft – eine durch Gravitonen vermittelte Quantenwechselwirkung ist, die Quantenüberlagerungen unterstützen kann. „Wenn das Experiment durchgeführt wird und eine Verschränkung erhalten wird, können wir laut der Arbeit den Schluss ziehen, dass die Schwerkraft quantisiert ist“, erklärte Blencowe.

Verwirren Sie den Diamanten

Die Quantengravitation ist so subtil, dass einige Wissenschaftler an ihrer Existenz gezweifelt haben. Der renommierte Mathematiker und Physiker Freeman Dyson, 94, argumentiert seit 2001, dass das Universum eine Art „dualistische“ Beschreibung unterstützen könnte, in der „das durch Einsteins allgemeine Relativitätstheorie beschriebene Gravitationsfeld ein rein klassisches Feld ohne jegliches Quantenverhalten wäre.“ , während alle Materie in diesem glatten Raum-Zeit-Kontinuum durch Teilchen quantisiert wird, die den Regeln der Wahrscheinlichkeit gehorchen.

Dyson, der an der Entwicklung der Quantenelektrodynamik (der Theorie der Wechselwirkungen zwischen Materie und Licht) beteiligt war und emeritierter Professor am Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey, ist, glaubt nicht, dass Quantengravitation notwendig ist, um das unerreichbare Innere von Schwarzen Löchern zu beschreiben . Und er glaubt auch, dass der Nachweis eines hypothetischen Gravitons prinzipiell unmöglich sein könnte. In diesem Fall, sagt er, wäre die Quantengravitation metaphysisch und nicht physikalisch.

Er ist nicht der einzige Skeptiker. Der berühmte englische Physiker Sir Roger Penrose und der ungarische Wissenschaftler Lajos Diosi schlugen unabhängig voneinander vor, dass die Raumzeit keine Überlagerungen unterstützen kann. Sie glauben, dass seine glatte, starre, grundsätzlich klassische Natur es daran hindert, sich gleichzeitig in zwei mögliche Bahnen zu biegen – und dass es diese Starrheit ist, die zum Zusammenbruch von Überlagerungen von Quantensystemen wie Elektronen und Photonen führt. „Gravitationsdekohärenz“ ermöglicht ihrer Meinung nach das Auftreten einer einzigen, soliden, klassischen Realität, die auf makroskopischer Ebene spürbar ist.

Die Fähigkeit, das „Lächeln“ der Quantengravitation zu finden, scheint Dysons Argument zu widerlegen. Es macht auch die Theorie der Gravitationsdekohärenz zunichte, indem es zeigt, dass Schwerkraft und Raumzeit tatsächlich Quantenüberlagerungen unterstützen.

Die Vorschläge von Bose und Marletto entstanden gleichzeitig und völlig zufällig, obwohl Experten anmerken, dass sie den Zeitgeist widerspiegeln. Experimentelle Quantenphysiklabore auf der ganzen Welt versetzen immer größere mikroskopische Objekte in Quantenüberlagerungen und optimieren Protokolle zum Testen der Verschränkung zweier Quantensysteme. Das vorgeschlagene Experiment müsste diese Verfahren kombinieren und gleichzeitig weitere Verbesserungen in Bezug auf Umfang und Empfindlichkeit erfordern. vielleicht dauert es zehn Jahre. „Aber es gibt keine physikalische Sackgasse“, sagt Pikovsky, der auch erforscht, wie Laborexperimente Gravitationsphänomene untersuchen könnten. „Ich denke, es ist schwierig, aber nicht unmöglich.“

Dieser Plan wird in der Arbeit von Bose et al. – Ocean's Eleven Experts for Different Stages of the Proposal – ausführlicher beschrieben. In seinem Labor an der University of Warwick arbeitet Co-Autor Gavin Morley beispielsweise am ersten Schritt und versucht, einen Mikrodiamanten an zwei Stellen in eine Quantenüberlagerung zu versetzen. Dazu wird er ein Stickstoffatom im Mikrodiamanten neben einer Lücke in der Diamantstruktur (dem sogenannten NV-Zentrum oder stickstoffsubstituierten Lücke im Diamant) einschließen und es mit einem Mikrowellenpuls aufladen. Ein um das NV-Zentrum rotierendes Elektron absorbiert gleichzeitig Licht und tut es nicht, und das System geht in eine Quantenüberlagerung zweier Spinrichtungen – nach oben und nach unten – über, wie ein Kreisel, der sich mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit im Uhrzeigersinn und mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit gegen den Uhrzeigersinn dreht. Ein mit diesem Überlagerungsspin beladener Mikrodiamant wird einem Magnetfeld ausgesetzt, das bewirkt, dass sich der obere Spin nach links und der untere Spin nach rechts bewegt. Der Diamant selbst spaltet sich in eine Überlagerung zweier Flugbahnen auf.

In einem vollständigen Experiment würden Wissenschaftler all dies tun, indem sie zwei Diamanten – zum Beispiel einen roten und einen blauen – nebeneinander in einem ultrakalten Vakuum platzierten. Wenn die Falle, in der sie gehalten werden, ausgeschaltet wird, fallen die beiden Mikrodiamanten, jeweils in einer Überlagerung von zwei Positionen, vertikal in ein Vakuum. Wenn die Diamanten fallen, werden sie die Schwerkraft jedes einzelnen von ihnen spüren. Wie stark wird ihre Anziehungskraft sein?

Wenn die Schwerkraft eine Quantenkraft ist, lautet die Antwort: Es kommt darauf an. Jede Komponente der Überlagerung der blauen Raute erfährt eine stärkere oder schwächere Anziehungskraft auf die rote Raute, je nachdem, ob sich diese in einem näher oder weiter entfernten Zweig der Überlagerung befindet. Und die Schwerkraft, die jede Komponente der Überlagerung des roten Diamanten spüren wird, hängt in gleicher Weise vom Zustand des blauen Diamanten ab.

In jedem Fall wirken unterschiedlich starke Gravitationsanziehungskräfte auf die sich entwickelnden Komponenten der Diamantüberlagerungen. Die beiden Diamanten werden voneinander abhängig, da ihre Zustände nur in Kombination bestimmt werden können – wenn das bedeutet –, sodass schließlich die Spinrichtungen der beiden Systeme von NV-Zentren korrelieren.

Nachdem die Mikrodiamanten drei Sekunden lang nebeneinander gefallen sind – lange genug, um sich in der Schwerkraft zu verfangen – durchlaufen sie ein weiteres Magnetfeld, das die Zweige jeder Überlagerung wieder zusammenbringt. Der letzte Schritt des Experiments ist das von der dänischen Physikerin Barbara Theral und anderen entwickelte Verschränkungszeugenprotokoll: Blaue und rote Diamanten gelangen in verschiedene Geräte, die die Spinrichtungen von NV-Zentrumssystemen messen. (Die Messung führt dazu, dass Überlagerungen in bestimmte Zustände zusammenbrechen.) Anschließend werden die beiden Ergebnisse verglichen. Indem Wissenschaftler das Experiment immer wieder durchführen und viele Paare von Spinmessungen vergleichen, können sie feststellen, ob die Spins zweier Quantensysteme tatsächlich häufiger korrelieren als die Obergrenze für Objekte, die nicht quantenmechanisch verschränkt sind. Wenn das der Fall ist, verwickelt die Schwerkraft tatsächlich Diamanten und kann Überlagerungen unterstützen.

„Das Interessante an diesem Experiment ist, dass man nicht wissen muss, was Quantentheorie ist“, sagt Blencowe. „Man muss lediglich sagen, dass es in dieser Region einen Quantenaspekt gibt, der durch die Kraft zwischen zwei Teilchen vermittelt wird.“

Es gibt viele technische Schwierigkeiten. Das größte Objekt, das zuvor an zwei Stellen überlagert worden war, war ein Molekül mit 800 Atomen. Jeder Mikrodiamant enthält mehr als 100 Milliarden Kohlenstoffatome – genug, um eine spürbare Gravitationskraft aufzubauen. Um seine quantenmechanische Natur zu entschlüsseln, sind niedrige Temperaturen, tiefes Vakuum und eine präzise Steuerung erforderlich. „Es ist eine Menge Arbeit, die anfängliche Überlagerung in Gang zu bringen“, sagt Peter Barker, Teil des experimentellen Teams, das die Techniken der Laserkühlung und des Einfangens von Mikrodiamanten verfeinert. Wenn dies mit einem Diamanten möglich wäre, fügt Bose hinzu, „wäre ein zweiter kein Problem.“

Was ist das Besondere an der Schwerkraft?

Quantengravitationsforscher haben keinen Zweifel daran, dass es sich bei der Schwerkraft um eine Quantenwechselwirkung handelt, die eine Verschränkung verursachen kann. Natürlich ist die Schwerkraft etwas Einzigartiges, und über die Entstehung von Raum und Zeit gibt es noch viel zu lernen, aber die Quantenmechanik sollte auf jeden Fall einbezogen werden, sagen Wissenschaftler. „Was bringt eigentlich eine Theorie, in der der größte Teil der Physik Quantenphysik und die Schwerkraft klassisch ist“, sagt Daniel Harlow, Quantengravitationsforscher am MIT. Die theoretischen Argumente gegen gemischte quantenklassische Modelle sind sehr stark (wenn auch nicht schlüssig).

Andererseits haben sich Theoretiker schon früher geirrt. „Wenn Sie es überprüfen können, warum nicht? Wenn das diese Leute zum Schweigen bringen würde, die die Quantennatur der Schwerkraft in Frage stellen, wäre das großartig“, sagt Harlow.

Nach der Lektüre der Papiere schrieb Dyson: „Das vorgeschlagene Experiment ist sicherlich von großem Interesse und erfordert die Durchführung unter den Bedingungen eines echten Quantensystems.“ Er stellt jedoch fest, dass die Gedankengänge der Autoren zu Quantenfeldern von seinen abweichen. „Mir ist nicht klar, ob dieses Experiment die Frage nach der Existenz der Quantengravitation klären kann. Die Frage, die ich gestellt habe – ob ein einzelnes Graviton beobachtet wird – ist eine andere Frage und könnte eine andere Antwort haben.“

Der Gedankengang von Bose, Marletto und ihren Kollegen zur quantisierten Schwerkraft geht auf die Arbeiten von Bronstein aus dem Jahr 1935 zurück. (Dyson nannte Bronsteins Werk „ein wunderschönes Werk“, das er noch nie zuvor gesehen hatte). Insbesondere zeigte Bronstein, dass die schwache Schwerkraft, die durch eine kleine Masse erzeugt wird, durch das Newtonsche Gravitationsgesetz angenähert werden kann. (Dies ist die Kraft, die zwischen Überlagerungen von Mikrodiamanten wirkt). Berechnungen der schwachen quantisierten Schwerkraft wurden laut Blencowe nicht besonders durchgeführt, obwohl sie sicherlich relevanter sind als die Physik von Schwarzen Löchern oder dem Urknall. Er hofft, dass der neue experimentelle Vorschlag Theoretiker dazu ermutigen wird, nach subtilen Verfeinerungen der Newtonschen Näherung zu suchen, die künftige Tischexperimente zu testen versuchen könnten.

Leonard Susskind, ein renommierter Quantengravitations- und Stringtheoretiker an der Stanford University, erkannte den Wert des vorgeschlagenen Experiments, weil „es Beobachtungen der Schwerkraft in einem neuen Bereich von Massen und Entfernungen ermöglicht“. Er und andere Forscher betonten jedoch, dass Mikrodiamanten nichts über die vollständige Theorie der Quantengravitation oder der Raumzeit verraten können. Er und seine Kollegen möchten verstehen, was im Zentrum eines Schwarzen Lochs und im Moment des Urknalls passiert.

Ein Hinweis darauf, warum die Quantisierung der Schwerkraft so viel schwieriger ist als alles andere, liegt vielleicht darin, dass andere Naturkräfte eine sogenannte „Lokalität“ haben: Quantenteilchen in einem Bereich des Feldes (z. B. Photonen in einem elektromagnetischen Feld) sind „unabhängig von …“. andere physikalische Einheiten in einer anderen Region des Weltraums“, sagt Mark van Raamsdonk, Quantengravitationstheoretiker an der University of British Columbia. „Aber es gibt viele theoretische Beweise dafür, dass die Schwerkraft nicht so funktioniert.“

In den besten Sandbox-Modellen der Quantengravitation (mit vereinfachten Raum-Zeit-Geometrien) sei es unmöglich anzunehmen, dass das Band des Raum-Zeit-Gewebes in unabhängige dreidimensionale Teile unterteilt sei, sagt van Raamsdonk. Stattdessen legt die moderne Theorie nahe, dass die zugrunde liegenden, grundlegenden Komponenten des Raums „eher zweidimensional organisiert“ sind. Das Gefüge der Raumzeit könnte wie ein Hologramm oder ein Videospiel sein. „Obwohl das Bild dreidimensional ist, werden die Informationen auf einem zweidimensionalen Computerchip gespeichert.“ In diesem Fall wäre die dreidimensionale Welt eine Illusion in dem Sinne, dass ihre verschiedenen Teile nicht so unabhängig sind. In einer Videospiel-Analogie können ein paar Bits auf einem zweidimensionalen Chip globale Funktionen des gesamten Spieluniversums kodieren.

Und dieser Unterschied ist wichtig, wenn Sie versuchen, eine Quantentheorie der Schwerkraft zu erstellen. Der übliche Ansatz zur Quantisierung von etwas besteht darin, seine unabhängigen Teile – zum Beispiel Teilchen – zu identifizieren und dann die Quantenmechanik auf sie anzuwenden. Wenn Sie jedoch nicht die richtigen Komponenten definieren, erhalten Sie die falschen Gleichungen. Die direkte Quantisierung des dreidimensionalen Raums, die Bronstein durchführen wollte, funktioniert einigermaßen mit schwacher Schwerkraft, erweist sich jedoch als nutzlos, wenn die Raumzeit stark gekrümmt ist.

Einige Experten sagen, dass der Anblick des „Lächelns“ der Quantengravitation zu einer solchen abstrakten Argumentation motivieren könnte. Schließlich werden selbst die lautesten theoretischen Argumente über die Existenz der Quantengravitation nicht durch experimentelle Fakten gestützt. Wenn van Raamsdonk seine Forschung auf einem wissenschaftlichen Kolloquium erklärt, beginnt er normalerweise mit einer Geschichte darüber, wie die Schwerkraft mit der Quantenmechanik neu gedacht werden muss, weil die klassische Beschreibung der Raumzeit mit Schwarzen Löchern und dem Urknall zusammenbricht.

„Aber wenn man dieses einfache Experiment durchführt und zeigt, dass das Gravitationsfeld überlagert war, wird das Scheitern der klassischen Beschreibung offensichtlich. Denn es wird ein Experiment geben, das impliziert, dass Schwerkraft Quanten ist.“

Basierend auf Materialien des Quanta Magazine

E.S.,
, Städtische Bildungseinrichtung Sekundarschule Nr. 16 mit UIOP, Lysva, Region Perm.

Die Geburt der Quantenphysik

Finden Sie den Anfang von allem und Sie werden viel verstehen!
Kozma Prutkov

Lernziel des Unterrichts: das Konzept der Diskretion der Materie einführen, das Konzept des Quantenwellen-Dualismus der Materie formulieren, die Einführung der Planck-Formeln und der De-Broglie-Wellenlänge rechtfertigen.

Entwicklungsziel des Unterrichts: Entwickeln Sie logisches Denken, die Fähigkeit, Situationen zu vergleichen und zu analysieren und interdisziplinäre Zusammenhänge zu erkennen.

Lernziel des Unterrichts: dialektisch-materialistisches Denken zu formen.

Die Physik als Wissenschaft hat universelle menschliche Werte und ein enormes humanitäres Potenzial. Während des Studiums werden die grundlegenden wissenschaftlichen Methoden offenbart (wissenschaftliches Experiment, Modellierung, Gedankenexperiment, Erstellung und Struktur wissenschaftlicher Theorie). Den Studierenden muss die Möglichkeit gegeben werden, die Welt mit den Augen eines Physikers zu betrachten, um die Ewigkeit und den ständigen Wandel der Welt zu verstehen – einer Welt, in der es so viel Großes und unbedeutend Kleines, sehr Schnelles und ungewöhnlich Langsames gibt , einfach und schwer zu verstehen - das ständige Verlangen des Menschen nach Wissen zu spüren, das die tiefste Befriedigung bringt, sich mit Beispielen tiefer Erfahrung „wissenschaftlicher Zweifel“ und mutiger Bewegung auf einem unbekannten Weg auf der Suche nach Eleganz, Kürze und Klarheit vertraut zu machen .

ICH. Lehrer. Als wir anfingen, Optik zu studieren, stellte ich die Frage: „Was ist Licht?“ Wie würden Sie es jetzt beantworten? Versuchen Sie, Ihren Gedanken in einem Satz zu formulieren. Beginnen Sie mit den Worten „Licht ist...“ von F.I. Tyutchev hat die folgenden Zeilen: „Wieder mit gierigen Augen // Ich trinke das lebensspendende Licht.“ Bitte versuchen Sie, diese Zeilen aus physikalischer Sicht zu kommentieren. In der Poesie – von Homer bis zur Gegenwart – wird den durch Licht erzeugten Empfindungen seit jeher ein besonderer Stellenwert eingeräumt. Am häufigsten empfanden Dichter Licht als eine besondere leuchtende, leuchtende Flüssigkeit.

Um das heutige Gespräch über Licht zu vervollständigen, möchte ich die Worte von S.I. vorlesen. Vavilova: „Der kontinuierliche, siegreiche Krieg um die Wahrheit, der nie mit einem endgültigen Sieg endet, hat jedoch seine unbestreitbare Berechtigung. Auf dem Weg, die Natur des Lichts zu verstehen, erhielt der Mensch Mikroskope, Teleskope, Entfernungsmesser, Radios und Röntgenstrahlen; Diese Forschung trug dazu bei, die Energie des Atomkerns zu beherrschen. Auf der Suche nach der Wahrheit erweitert der Mensch die Bereiche seiner Beherrschung der Natur grenzenlos. Ist das nicht die eigentliche Aufgabe der Wissenschaft? (Hervorhebung von mir. – EU.)»

II. Lehrer. Während des Studiums der Physik haben wir viele Theorien kennengelernt, zum Beispiel MCT, Thermodynamik, Maxwells Theorie des elektromagnetischen Feldes usw. Heute schließen wir das Studium der Wellenoptik ab. Wir müssen die Untersuchung des Themas zusammenfassen und vielleicht einen letzten Punkt zur Frage setzen: „Was ist Licht?“ Könnten Sie anhand von Beispielen aus der Wellenoptik die Rolle der Theorie beim Verständnis der Natur verdeutlichen?

Erinnern wir uns daran, dass die Bedeutung der Theorie nicht nur darin liegt, dass sie die Erklärung vieler Phänomene ermöglicht, sondern auch darin, dass sie es ermöglicht, neue, noch nicht bekannte physikalische Phänomene, Eigenschaften von Körpern und Mustern vorherzusagen. So erklärte die Wellentheorie die Phänomene Interferenz, Beugung, Polarisation, Brechung und Streuung des Lichts und ermöglichte eine „Entdeckung mit der Spitze eines Stifts“ – eine Vorhersage. Im Jahr 1815 legte ein unbekannter pensionierter Ingenieur, Augustin Fresnel, der Pariser Akademie der Wissenschaften eine Arbeit vor, in der er das Phänomen der Beugung erklärte. Die Analyse der Arbeit wurde berühmten Wissenschaftlern anvertraut – dem Physiker D. Arago und dem Mathematiker S. Poisson. Poisson, der dieses Werk mit Leidenschaft las, entdeckte eine offensichtliche Absurdität in Fresnels Schlussfolgerungen: Wenn eine kleine runde Zielscheibe in einen Lichtstrahl gestellt wird, sollte in der Mitte des Schattens ein Lichtfleck erscheinen! Was ist Ihrer Meinung nach als nächstes passiert? Ein paar Tage später experimentierte Arago und stellte fest, dass Fresnel Recht hatte! Das 19. Jahrhundert ist also das Jahrhundert des Sieges der Wellenoptik.

Was ist Licht? Licht ist eine elektromagnetische Transversalwelle.

Zum Abschluss des Studiums eines großen Teils der Physik im Zusammenhang mit der Natur von Licht und elektromagnetischen Wellen schlage ich vor, die Testaufgabe „Elektromagnetische Wellen“ selbstständig zu bearbeiten (siehe Anhang 1). Wir prüfen die Ausführung frontal.

III. Lehrer. Und hier ist, was Londoner Zeitungen am Vorabend des Jahres 1900 schrieben: „Als die Straßen Londons mit festlichen Lichtern aus hellen Glühbirnen anstelle von trüben Ölschüsseln erleuchtet waren, fuhren Taxis nacheinander zu dem alten Gebäude in der Fleet Street. Respektvolle, in Roben gekleidete Herren stiegen über die breite, hell erleuchtete Treppe in den Saal hinauf. Dann versammelten sich Mitglieder der Royal Society of London zu ihrem nächsten Treffen. Groß, grauhaarig, mit dichtem Bart, Sir William Thomson (wissen Sie über seine Leistungen auf dem Gebiet der Physik Bescheid? - EU.), vor acht Jahren aus den Händen von Königin Victoria den Titel eines Peer und Lord Kelvin verliehen (kommt Ihnen dieser Name bekannt? - EU.), und jetzt Präsident der Gesellschaft, begann seine Neujahrsansprache. Der große Physiker des 19. Jahrhunderts stellte die im vergangenen Jahrhundert erzielten Erfolge fest und zählte die Verdienste der Anwesenden auf ...

Die Versammelten nickten zustimmend. Um bescheiden zu sein: Sie haben gute Arbeit geleistet. Und Sir William hatte Recht, als er sagte, dass das große Gebäude der Physik errichtet worden sei und dass nur noch kleine letzte Handgriffe übrig seien.

Stimmt (Lord Kelvin unterbrach seine Rede für einen Moment), im wolkenlosen Horizont der Physik gibt es zwei kleine Wolken, zwei Probleme, die vom Standpunkt der klassischen Physik aus noch keine Erklärung gefunden haben ... Aber diese Phänomene sind vorübergehend und flüchtig. Die Herren saßen ruhig in antiken Stühlen mit hoher Rückenlehne und lächelten. Jeder wusste, wovon wir redeten:

1) Die klassische Physik konnte Michelsons Experimente nicht erklären, die den Einfluss der Erdbewegung auf die Lichtgeschwindigkeit nicht bestimmten. In allen Bezugssystemen (sowohl in Bewegung als auch in Ruhe relativ zur Erde) ist die Lichtgeschwindigkeit gleich – 300.000 km/s;

2) Die klassische Physik konnte den experimentell erhaltenen Graphen der Schwarzkörperstrahlung nicht erklären.“

Sir William konnte sich nicht einmal vorstellen, was für ein Blitz bald aus diesen Wolken schlagen würde! Mit Blick auf die Zukunft werde ich sagen: Die Lösung des ersten Problems wird zu einer Überarbeitung der klassischen Vorstellungen von Raum und Zeit und zur Schaffung der Relativitätstheorie führen; die Lösung des zweiten Problems wird zur Schaffung einer neuen Theorie führen - Quantum. Dies ist die Lösung des zweiten Problems, das in der heutigen Lektion besprochen wird!

IV. (Die Schüler machen sich Notizen in ihren Notizbüchern: Datum der Unterrichtsnummer. Unterrichtsthema: „Der Ursprung der Quantenphysik“.) An der Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert. In der Physik trat ein Problem auf, das dringend gelöst werden musste: eine theoretische Erklärung des Strahlungsdiagramms eines absolut schwarzen Körpers. Was ist ein perfekter schwarzer Körper? ( Hypothesen der Studierenden. Vorführung des Videoclips „Wärmestrahlung“ .)

Lehrer. Schreiben Sie auf: „Ein vollständig schwarzer Körper ist ein Körper, der in der Lage ist, den gesamten einfallenden Strahlungsfluss, alle elektromagnetischen Wellen jeder Wellenlänge (jeder Frequenz) ohne Reflexion zu absorbieren.“

Aber absolut schwarze Körper haben noch eine Besonderheit. Erinnern Sie sich, warum Menschen mit schwarzer Hautfarbe in den Äquatorgebieten leben? „Schwarze Körper leuchten, wenn sie erhitzt werden, heller als alle anderen Körper, das heißt, sie geben Energie in allen Frequenzbereichen ab“, notieren Sie dies in Ihren Notizbüchern.

Wissenschaftler haben experimentell das Strahlungsspektrum eines vollständig schwarzen Körpers bestimmt. ( Zeichnet ein Diagramm.) Rν – spektrale Dichte der energetischen Leuchtkraft – die Energie elektromagnetischer Strahlung, die pro Zeiteinheit von einer Oberflächeneinheit eines Körpers in einem Einheitsfrequenzintervall ν emittiert wird. Maxwells elektromagnetische Feldtheorie sagte die Existenz elektromagnetischer Wellen voraus, aber die theoretische Schwarzkörperstrahlungskurve, die auf der Grundlage dieser Theorie erstellt wurde, wies eine Diskrepanz mit der experimentellen Kurve im Hochfrequenzbereich auf. An dem Problem arbeiteten die besten Köpfe dieser Zeit: die Engländer Lord Rayleigh und J. Jeans, die Deutschen P. Kirchhoff und V. Wien, der Moskauer Professor V.A. Michelson. Nichts hat geklappt!

Bieten Sie einen Ausweg aus der aktuellen Situation. Die theoretische Kurve unterscheidet sich von der experimentellen. Wie soll man sein und was tun? ( Die Schüler äußern Hypothesen: Führen Sie Experimente sorgfältiger durch – sie haben es getan, das Ergebnis ist das gleiche; Ändern Sie die Theorie - aber das ist eine Katastrophe, das gesamte Fundament der klassischen Physik, das über Jahrtausende hinweg geschaffen wurde, bricht zusammen!) Die geschaffene Situation in der Physik wurde genannt UV-Katastrophe.

Schreiben Sie auf: „Die Methoden der klassischen Physik erwiesen sich als unzureichend, um die Strahlung eines vollständig schwarzen Körpers im Hochfrequenzbereich zu erklären – es war eine „Ultraviolett-Katastrophe“.

Wer kann erraten, warum diese Krise ihren Namen erhielt? ultraviolette Katastrophe, und nicht Infrarot oder Violett? In der Physik ist eine Krise ausgebrochen! Das griechische Wort κρίση [ eine Krise] bezeichnen einen schwierigen Übergang von einem stabilen Zustand in einen anderen. Das Problem musste gelöst werden, und zwar dringend!

V.Lehrer. Und so schlug der deutsche Wissenschaftler M. Planck am 19. Oktober 1900 auf einer Tagung der Physikalischen Gesellschaft vor, die Strahlung eines absolut schwarzen Körpers anhand der Formel zu berechnen E = hν. Plancks Freund und Kollege Heinrich Rubens saß die ganze Nacht an seinem Schreibtisch, verglich seine Messungen mit den Ergebnissen der Planckschen Formel und war erstaunt: Die Formel seines Freundes beschrieb das Strahlungsspektrum eines absolut schwarzen Körpers bis ins kleinste Detail! Plancks Formel beseitigte also die „Ultraviolettkatastrophe“, aber zu welchem Preis! Planck schlug im Gegensatz zu etablierten Ansichten vor, davon auszugehen, dass die Emission von Strahlungsenergie durch Atome der Materie diskret, also in Quantenportionen, erfolgt. „Quantum“ ( quant) aus dem Lateinischen übersetzt bedeutet einfach Menge .

Was bedeutet „diskret“? Machen wir ein Gedankenexperiment. Stellen Sie sich vor, Sie halten ein Glas voller Wasser in Ihren Händen. Ist es möglich, die Hälfte zu besetzen? Wie wäre es mit einem Schluck? Und noch weniger? Grundsätzlich ist es möglich, die Wassermasse um einen beliebig kleinen Betrag zu verringern oder zu erhöhen. Stellen wir uns nun vor, wir halten eine Schachtel Kinderwürfel à 100 g in der Hand. Ist eine Reduzierung von beispielsweise 370 g möglich? Nein! Du kannst die Würfel nicht zerbrechen! Daher kann sich die Masse der Box diskret ändern, nur in Portionen, die ein Vielfaches von 100 g betragen! Man kann den kleinsten Betrag nennen, um den sich die Masse des Kastens ändern lässt Portion, oder Massenquantum.

So verwandelte sich ein kontinuierlicher Energiefluss aus einem erhitzten schwarzen Körper in einen „Maschinengewehrstoß“ aus einzelnen Portionen – Energiequanten. Es scheint nichts Besonderes zu sein. Tatsächlich bedeutete dies jedoch die Zerstörung des gesamten hervorragend konstruierten Gebäudes der klassischen Physik, da Planck anstelle der grundlegenden Grundgesetze, die auf dem Prinzip der Kontinuität beruhten, das Prinzip der Diskretion vorschlug. Planck selbst gefiel die Idee der Diskretion nicht. Er versuchte, die Theorie so zu formulieren, dass sie vollständig in den Rahmen der klassischen Physik passte.

Aber es gab einen Menschen, der im Gegenteil noch entschiedener über die Grenzen klassischer Ideen hinausging. Dieser Mann war A. Einstein. Damit Sie den revolutionären Charakter von Einsteins Ansichten verstehen, möchte ich nur sagen, dass er mit Plancks Idee den Grundstein für die Theorie der Laser (Quantengeneratoren) und das Prinzip der Nutzung der Atomenergie legte.

Akademiker S.I. Vavilov konnte sich lange Zeit nicht mit der Vorstellung von Licht als Substanz von Quanten anfreunden, aber er wurde ein glühender Bewunderer dieser Hypothese und entwickelte sogar eine Möglichkeit, Quanten zu beobachten. Er berechnete, dass das Auge die Beleuchtung wahrnehmen kann, die von 52 grünen Lichtquanten erzeugt wird.

Laut Planck ist Licht also... ( Schüleraussagen).

VI. Lehrer. Erinnert Sie Plancks Hypothese nicht an die bereits bekannte Hypothese über die Natur des Lichts? Sir Isaac Newton schlug vor, Licht als aus winzigen Teilchen – Korpuskeln – bestehend zu betrachten. Jeder leuchtende Körper strahlt sie in alle Richtungen ab. Sie fliegen in geraden Linien und wenn sie unsere Augen treffen, erkennen wir ihre Quelle. Jede Farbe entspricht ihren eigenen Körperchen und sie unterscheiden sich höchstwahrscheinlich dadurch, dass sie unterschiedliche Massen haben. Der kombinierte Fluss der Teilchen erzeugt weißes Licht.

Zur Zeit von Sir Isaac Newton wurde die Physik Naturphilosophie genannt. Warum? Lesen Sie (siehe Anhang 2) eines der Grundgesetze der Dialektik – das Gesetz der Negation der Negation. Versuchen Sie es auf die Frage nach der Natur des Lichts anzuwenden. ( Argumentation der Studierenden.)

Nach der Hypothese von M. Planck ist Licht also ein Strom von Teilchen, Korpuskeln und Quanten, von denen jedes Energie hat E = hν. Bitte analysieren Sie diese Formel: Was ist ν? was H (Einer der Studenten wird definitiv vermuten, dass es sich hierbei um eine Art Konstante handelt, die nach Planck benannt ist)? Welche Einheit hat das Plancksche Wirkungsquantum? Was ist der Wert der Konstante ( Arbeiten mit der Tabelle der physikalischen Konstanten)? Wie heißt das Plancksche Wirkungsquantum? Welche physikalische Bedeutung hat das Plancksche Wirkungsquantum?

Um die Schönheit von Plancks Formel zu würdigen, wenden wir uns den Problemen zu ... der Biologie. Ich lade Studierende ein, Fragen aus dem Bereich Biologie zu beantworten (Anhang 3).

Mechanismus des Sehens. Durch das Sehen erhalten wir etwa 90 % der Informationen über die Welt. Daher hat die Frage nach dem Mechanismus des Sehens die Menschen schon immer interessiert. Warum nimmt das menschliche Auge und auch die meisten Erdbewohner nur einen kleinen Wellenbereich aus dem Spektrum der in der Natur vorkommenden elektromagnetischen Strahlung wahr? Was wäre, wenn eine Person beispielsweise wie Grubenschlangen Infrarotsicht hätte?

Nachts würden wir wie tagsüber alle organischen Körper sehen, da sich ihre Temperatur von der Temperatur unbelebter Körper unterscheidet. Aber die stärkste Quelle solcher Strahlen wäre für uns unser eigener Körper. Wenn das Auge empfindlich auf Infrarotstrahlung reagiert, würde das Licht der Sonne für uns vor dem Hintergrund seiner eigenen Strahlung einfach verblassen. Wir würden nichts sehen, unsere Augen wären nutzlos.

Warum reagieren unsere Augen nicht auf Infrarotlicht? Berechnen wir die Energie der Quanten des infraroten und sichtbaren Lichts mit der Formel:

Die Energie von IR-Quanten ist geringer als die Energie von sichtbaren Lichtquanten. Mehrere Quanten können nicht „zusammenkommen“, um eine Wirkung auszulösen, die über die Kraft eines Quants hinausgeht – in der Mikrowelt gibt es eine Eins-zu-eins-Wechselwirkung zwischen einem Quant und einem Teilchen. Nur ein Quantum sichtbaren Lichts, dessen Energie größer ist als die des Infrarotlichts, kann eine Reaktion im Rhodopsinmolekül, also dem Netzhautstäbchen, auslösen. Die Wirkung eines sichtbaren Lichtquants auf die Netzhaut kann mit dem Aufprall eines Tennisballs verglichen werden, der sich bewegt ... ein mehrstöckiges Gebäude. (Die Empfindlichkeit der Netzhaut ist so hoch!)

Warum reagiert das Auge nicht auf ultraviolette Strahlung? Auch UV-Strahlung ist für das Auge unsichtbar, obwohl die Energie der UV-Quanten viel größer ist als die der sichtbaren Lichtquanten. Die Netzhaut ist empfindlich gegenüber UV-Strahlen, diese werden jedoch von der Linse absorbiert, da sie sonst eine zerstörende Wirkung hätten.

Im Laufe der Evolution haben sich die Augen lebender Organismen daran angepasst, die Strahlungsenergie der stärksten Quelle der Erde – der Sonne – wahrzunehmen, und zwar genau die Wellen, die die maximale Energie der auf die Erde einfallenden Sonnenstrahlung ausmachen.

Photosynthese. In grünen Pflanzen stoppt der Prozess, durch den alle Lebewesen Sauerstoff zum Atmen und zur Nahrung erhalten, keine Sekunde. Das ist Photosynthese. Das Blatt hat aufgrund des Vorhandenseins von Chlorophyll in seinen Zellen eine grüne Farbe. Photosynthesereaktionen finden unter dem Einfluss von Strahlung im rotvioletten Teil des Spektrums statt und Wellen mit einer Frequenz, die dem grünen Teil des Spektrums entspricht, werden reflektiert, sodass die Blätter eine grüne Farbe haben.

Chlorophyllmoleküle sind „verantwortlich“ für den einzigartigen Prozess der Umwandlung von Lichtenergie in die Energie organischer Substanzen. Es beginnt mit der Absorption eines Lichtquants durch ein Chlorophyllmolekül. Die Absorption eines Lichtquants führt zu chemischen Reaktionen der Photosynthese, die viele Einheiten umfassen.

Den ganzen Tag sind Chlorophyllmoleküle damit „beschäftigt“, dass sie, nachdem sie ein Quantum erhalten haben, dessen Energie nutzen und es in die potentielle Energie eines Elektrons umwandeln. Ihre Wirkung lässt sich mit der Wirkung eines Mechanismus vergleichen, der eine Kugel eine Treppe hinaufhebt. Beim Herunterrollen der Stufen verliert der Ball seine Energie, verschwindet aber nicht, sondern wandelt sich in die innere Energie von Stoffen um, die bei der Photosynthese entstehen.

Chlorophyllmoleküle „funktionieren“ nur bei Tageslicht, wenn sichtbares Licht auf sie trifft. Nachts „ruhen“ sie, obwohl an elektromagnetischer Strahlung kein Mangel herrscht: Erde und Pflanzen strahlen Infrarotlicht aus, die Energie der Quanten in diesem Bereich ist jedoch geringer als die für die Photosynthese erforderliche. Im Laufe der Evolution haben sich Pflanzen daran angepasst, die Energie der stärksten Energiequelle der Erde – der Sonne – zu speichern.

Vererbung.(Die Schüler beantworten die Fragen 1–3 aus Anhang 3, Karte „Vererbung“.). Die erblichen Eigenschaften von Organismen sind in DNA-Molekülen kodiert und werden auf Matrix-Weise von Generation zu Generation weitergegeben. Wie verursacht man eine Mutation? Unter dem Einfluss welcher Strahlung findet der Mutationsprozess statt?

Um eine einzelne Mutation auszulösen, muss dem DNA-Molekül genügend Energie zugeführt werden, um die Struktur eines Teils des DNA-Gens zu verändern. Es ist bekannt, dass γ-Quanten und Röntgenstrahlung, wie Biologen es nennen, stark mutagen– Ihre Quanten tragen ausreichend Energie, um die Struktur eines DNA-Abschnitts zu verändern. IR-Strahlung kann eine solche Wirkung offenbar nicht bewirken; ihre Frequenz und damit ihre Energie ist zu niedrig. Wenn nun die Energie des elektromagnetischen Feldes nicht in Teilen, sondern kontinuierlich absorbiert würde, könnten diese Strahlungen die DNA beeinflussen, da der Organismus selbst in Bezug auf seine Fortpflanzungszellen die nächstgelegene und stärkste, ständig arbeitende Quelle ist Strahlung.

Anfang der 30er Jahre. 20. Jahrhundert Dank der Erfolge der Quantenmechanik hatten die Physiker ein Gefühl der Macht, dass sie sich dem Leben selbst zuwandten. Es gab viele Ähnlichkeiten in der Genetik. Biologen haben ein diskretes, unteilbares Teilchen – ein Gen – entdeckt, das von einem Zustand in einen anderen wechseln kann. Veränderungen in der Konfiguration von Genen sind mit Veränderungen in den Chromosomen verbunden, die Mutationen verursachen, und es stellte sich heraus, dass dies auf der Grundlage von Quantenkonzepten erklärt werden konnte. Einer der Begründer der Molekularbiologie, der den Nobelpreis für Forschungen auf dem Gebiet der Mutationsprozesse in Bakterien und Bakteriophagen erhielt, war der deutsche theoretische Physiker M. Delbrück. 1944 erschien ein kurzes Buch des Physikers E. Schrödinger mit dem Titel „Was ist Leben?“. Es vermittelte eine klare und prägnante Darstellung der Grundlagen der Genetik und verdeutlichte den Zusammenhang zwischen Genetik und Quantenmechanik. Das Buch gab den Anstoß für den Angriff der Physiker auf das Gen. Dank der Arbeit der amerikanischen Physiker J. Watson, F. Crick und M. Wilkins erfuhren Biologen, wie das grundlegendste „lebende“ Molekül, die DNA, „strukturiert“ ist. Die Röntgenbeugungsanalyse machte es möglich, es zu sehen.

VII. Lehrer. Ich komme auf die Frage zurück: Was ist Licht? ( Antworten der Schüler.) Es stellt sich heraus, dass die Physik zum Newtonschen Lichtteilchen – dem Korpuskel – zurückgekehrt ist und die Vorstellung von Licht als Welle abgelehnt hat? Nein! Es ist unmöglich, das gesamte Erbe der Wellentheorie des Lichts auszumerzen! Schließlich sind Beugung, Interferenz und viele andere Phänomene seit langem bekannt, die experimentell bestätigen, dass Licht eine Welle ist. Was soll ich machen? ( Hypothesen der Studierenden.)

Da bleibt nur noch eines: Wellen irgendwie mit Teilchen zu verbinden. Erkennen Sie, dass es einen Kreis von Phänomenen gibt, in dem Licht Welleneigenschaften aufweist, und dass es einen anderen Kreis gibt, in dem die korpuskuläre Essenz des Lichts an erster Stelle steht. Mit anderen Worten: Schreiben Sie es auf! – Licht hat Quantenwellen-Dualität! Das ist die duale Natur des Lichts. Für Physiker war es sehr schwierig, zwei bisher unvereinbare Ideen zu einer zu vereinen. Ein Teilchen ist etwas Festes, Unveränderliches, von einer bestimmten Größe und räumlich begrenzt. Eine Welle ist etwas Fließendes, Unbeständiges, ohne klare Grenzen. Mehr oder weniger klar wurden diese Ideen durch das Konzept eines Wellenpakets verbunden. Dies ist so etwas wie eine Welle, die an beiden Enden „abgeschnitten“ ist, oder besser gesagt, ein Bündel von Wellen, die sich als Ganzes durch den Raum bewegen. Das Gerinnsel kann je nach Umgebung, in die es gelangt, schrumpfen oder sich ausdehnen. Es ähnelt einer fliegenden Feder.

Welche Eigenschaften des Wellenpakets ändern sich, wenn Licht von einem Medium in ein anderes gelangt? ( Antworten der Schüler.)

1927 schlug der amerikanische Physiker Lewis vor, dieses Wellenpaket zu nennen Photon(aus dem Griechischen φωτóς [phos, Fotos] – ). Was ist ein Photon? ( Die Studierenden arbeiten mit dem Lehrbuch und ziehen Schlussfolgerungen.)

Schlussfolgerungen. Ein Photon ist: ein Quantum elektromagnetischer Strahlung; ein masseloses Teilchen; ein ruhendes Photon existiert nicht; ein Teilchen, das sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit bewegt C= 3 10 8 m/s ist ein einziges Ganzes und unteilbar, die Existenz eines Bruchteils eines Photons ist unmöglich; ein Teilchen mit Energie E = hν, wo H= 6,63 · 10 -34 J · s; ν ist die Frequenz des Lichts; ein Teilchen mit Impuls ist ein elektrisch neutrales Teilchen.

Die Welt ist so strukturiert, dass Licht uns am häufigsten eine Wellennatur zeigt, bis wir seine Wechselwirkung mit der Materie betrachten. Und Materie erscheint vor uns in korpuskularer Form, bis wir beginnen, über die Natur interatomarer Bindungen, Übertragungsprozesse, elektrischen Widerstand usw. nachzudenken. Aber unabhängig von unserer Position in jedem Moment hat ein Mikroteilchen beide Eigenschaften.

Der Entstehungsprozess der Quantentheorie und insbesondere der Quantentheorie des Lichts ist zutiefst dialektisch. Die Ideen und Bilder der alten, klassischen Mechanik und Optik, angereichert mit neuen Ideen, kreativ auf die physikalische Realität angewendet, führten letztlich zu einer grundlegend neuen physikalischen Theorie.

Übung: Lesen Sie das philosophische Gesetz der Einheit und des Kampfes der Gegensätze und ziehen Sie eine Schlussfolgerung zu zwei Lichttheorien: Wellen- und Quantentheorie des Lichts.

VIII. Lehrer. Im Jahr 1924 äußerte der französische Physiker Louis de Broglie (ein ehemaliger militärischer Funktelegrafist) selbst für die mutigen Physiker dieser Zeit völlig paradoxe Gedanken über die Natur der Bewegung atomarer Teilchen. De Broglie schlug vor, dass sich die Eigenschaften von Elektronen und anderen Teilchen im Prinzip nicht von den Eigenschaften von Quanten unterscheiden! Daraus folgte, dass auch Elektronen und andere Teilchen Welleneigenschaften aufweisen sollten, sodass beispielsweise Elektronenbeugung beobachtet werden sollte. Und tatsächlich wurde es in Experimenten entdeckt, die 1927 unabhängig voneinander von den amerikanischen Physikern K.-J. Davisson und L. Germer, sowjetischer Physiker P.S. Tartakovsky und der englische Physiker J.-P. Thomson. Die De-Broglie-Wellenlänge wird nach folgender Formel berechnet:

Lösen wir Aufgaben zur Berechnung der De-Broglie-Wellenlänge (Anhang 4).

Wie Berechnungen zeigen, bewegt sich ein Valenzelektron innerhalb eines Atoms mit einer Geschwindigkeit von 0,01 Mit, wird an einem Ionenkristallgitter als Welle mit einer Wellenlänge von ~10 -10 m gebeugt, und die Wellenlänge einer Kugel, die mit einer Geschwindigkeit von etwa 500 m/s fliegt, beträgt etwa 10 -34 m. Eine so kleine Wellenlänge kann nicht registriert werden in irgendeiner Weise, und daher verhält sich die Kugel wie ein echtes Teilchen.

Der seit Beginn der Wissenschaft geführte Kampf zwischen den Vorstellungen von Diskretion und Kontinuität der Materie endete mit der Verschmelzung beider Vorstellungen in der Idee der dualen Eigenschaften von Elementarteilchen. Durch die Nutzung der Welleneigenschaften von Elektronen konnte die Auflösung von Mikroskopen deutlich gesteigert werden. Die Wellenlänge des Elektrons hängt von der Geschwindigkeit und damit von der Spannung ab, die die Elektronen beschleunigt (siehe Aufgabe 5 in Anhang 4). In den meisten Elektronenmikroskopen ist die De-Broglie-Wellenlänge hundertmal kleiner als die Wellenlänge des Lichts. Es wurde möglich, noch kleinere Objekte bis hin zu einzelnen Molekülen zu sehen.

Die Wellenmechanik war geboren, die Grundlage des großen Gebäudes der Quantenphysik. De Broglie legte den Grundstein für die Theorie der Interferenz und Lichtbeugung, leitete die Plancksche Formel neu ab und stellte eine tiefe Korrelation zwischen der Bewegung von Teilchen und den mit ihnen verbundenen Wellen her.

Beim Studium einer Theorie haben wir stets auf die Grenzen der Anwendbarkeit dieser Theorie hingewiesen. Die Grenzen der Anwendbarkeit der Quantentheorie sind noch nicht geklärt, ihre Gesetze sollten jedoch zur Beschreibung der Bewegung von Mikroteilchen in kleinen Raumregionen und bei hohen Frequenzen elektromagnetischer Wellen angewendet werden, wenn Messgeräte die Registrierung einzelner Quanten (Energie) ermöglichen ~10 -16 J). Um die Wechselwirkung von Materie und Röntgenstrahlung zu beschreiben, deren Energie zwei Größenordnungen über dem oben festgelegten Grenzwert liegt, ist es daher notwendig, die Gesetze der Quantenphysik anzuwenden und deren Eigenschaften zu beschreiben Für Radiowellen genügen die Gesetze der klassischen Elektrodynamik völlig. Es sei daran erinnert, dass das wichtigste „Testgelände“ der Quantentheorie die Physik des Atoms und des Atomkerns ist.

Zum Abschluss der heutigen Lektion stelle ich Ihnen noch einmal die Frage: Was ist Licht? ( Antworten der Schüler.)

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Elena Stepanowna Uvitskaya– Physiklehrer der höchsten Qualifikationskategorie, Absolvent des nach ihm benannten Staatlichen Pädagogischen Instituts Tula. L.N. Tolstoi im Jahr 1977 und wurde in den Ural versetzt, in die kleine Industriestadt Lysva, wo sie noch immer arbeitet. Ehrenarbeiter der Allgemeinbildung der Russischen Föderation, Gewinner des Allrussischen Wettbewerbs für Lehrer für Physik und Mathematik (Dynasty Foundation). Absolventen bestehen seit vielen Jahren erfolgreich das Einheitliche Staatsexamen und besuchen Universitäten in Moskau, St. Petersburg, Jekaterinburg und Perm. Nachdem ich einmal über die Smaragdtafel gelesen hatte, war ich beeindruckt von der aktuellen Relevanz der Idee des legendären Hermes: Jedes Ding, jeder Gegenstand, jeder Prozess in unserem Universum trägt die Merkmale voneinander und eines einzigen Ganzen. Seitdem legt er großen Wert auf interdisziplinäre Zusammenhänge und Analogien: Physik und Biologie, Physik und Mathematik, Physik und Literatur und jetzt Physik und die englische Sprache. Er engagiert sich in der wissenschaftlichen Arbeit mit Schülern, insbesondere in der Grundschule: Wo lebt Elektrizität? Warum ist gewöhnliches Wasser so ungewöhnlich? Wie ist sie, die geheimnisvolle Welt der Sterne? Die Familie hat zwei Söhne, die beide einen Abschluss an der Staatlichen Technischen Universität Perm haben. Der Junior ist Ingenieur, der Senior ist Karate-Lehrer, hat einen schwarzen Gürtel, zweiten Dan, mehrfacher Meister Russlands, Teilnehmer der Weltmeisterschaft in Japan. Der Erfolg der Lehrerin wäre ohne die Hilfe ihres Mannes, eines ausgebildeten Elektroingenieurs, nicht möglich gewesen: Er entwickelte und führte Experimente durch, entwickelte neue Geräte und einfach Unterstützung und Ratschläge, die in verschiedenen Lebenssituationen helfen.

Alle Bewerbungen finden Sie im . – Ed.

Die Rolle von Maxwells Theorie wurde am besten von dem berühmten Physiker Robert Feynman zum Ausdruck gebracht: „In der Geschichte der Menschheit (wenn wir sie beispielsweise in 10.000 Jahren betrachten) wird das bedeutendste Ereignis des 19. Jahrhunderts zweifellos Maxwells Entdeckung sein.“ die Gesetze der Elektrodynamik. Vor dem Hintergrund dieser wichtigen wissenschaftlichen Entdeckung wird der amerikanische Bürgerkrieg im selben Jahrzehnt wie ein kleiner Zwischenfall in der Provinz aussehen.“

Planck zögerte lange, ob er sich für die Geisteswissenschaften oder die Physik entscheiden sollte. Alle Werke Plancks zeichnen sich durch Anmut und Schönheit aus. A. Einstein schrieb über sie: „Beim Studium seiner Werke gewinnt man den Eindruck, dass der Anspruch auf künstlerisches Können eine der Hauptquellen seiner Kreativität ist.“

Die Entstehung und Entwicklung der Quantentheorie führte zu einer Veränderung der klassischen Vorstellungen über die Struktur von Materie, Bewegung, Kausalität, Raum, Zeit, die Natur der Erkenntnis usw., was zu einer radikalen Veränderung des Weltbildes beitrug. Das klassische Verständnis eines materiellen Teilchens war gekennzeichnet durch seine scharfe Trennung von der Umgebung, den Besitz seiner eigenen Bewegung und Position im Raum. In der Quantentheorie begann man, ein Teilchen als funktionalen Teil des Systems darzustellen, in dem es enthalten ist, ohne sowohl Koordinaten als auch Impuls zu haben. In der klassischen Theorie wurde Bewegung als die Bewegung eines mit sich selbst identischen Teilchens entlang einer bestimmten Flugbahn betrachtet. Die duale Natur der Teilchenbewegung erforderte den Verzicht auf eine solche Darstellung der Bewegung. Der klassische (dynamische) Determinismus wich dem probabilistischen (statistischen) Determinismus. Verstand man früher das Ganze als die Summe seiner Bestandteile, so offenbarte die Quantentheorie die Abhängigkeit der Eigenschaften eines Teilchens von dem System, in das es eingebunden ist. Das klassische Verständnis des kognitiven Prozesses war mit der Erkenntnis verbunden, dass ein materielles Objekt in sich existiert. Die Quantentheorie zeigte die Abhängigkeit des Wissens über ein Objekt von Forschungsverfahren. Wenn die klassische Theorie Anspruch auf Vollständigkeit erhob, entfaltete sich die Quantentheorie von Anfang an als unvollständig, basierend auf einer Reihe von Hypothesen, deren Bedeutung zunächst alles andere als klar war, und daher erhielten ihre Hauptbestimmungen unterschiedliche Interpretationen, unterschiedliche Interpretationen .
Meinungsverschiedenheiten entstanden vor allem über die physikalische Bedeutung der Dualität der Mikropartikel. De Broglie stellte zunächst das Konzept einer Pilotwelle vor, wonach eine Welle und ein Teilchen nebeneinander existieren, wobei die Welle das Teilchen anführt. Eine echte materielle Formation, die ihre Stabilität behält, ist ein Teilchen, da es Energie und Impuls besitzt. Die Welle, die das Teilchen trägt, steuert die Art der Bewegung des Teilchens. Die Amplitude der Welle an jedem Punkt im Raum bestimmt die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Teilchen in der Nähe dieses Punktes befindet. Schrödinger löst im Wesentlichen das Problem der Teilchendualität, indem er es beseitigt. Für ihn wirkt das Teilchen wie eine reine Wellenformation. Mit anderen Worten: Ein Teilchen ist der Ort der Welle, an dem die größte Energie der Welle konzentriert ist. Die Interpretationen von de Broglie und Schrödinger waren im Wesentlichen Versuche, visuelle Modelle im Geiste der klassischen Physik zu schaffen. Dies erwies sich jedoch als unmöglich.
Heisenberg schlug eine Interpretation der Quantentheorie vor, die (wie bereits gezeigt) auf der Tatsache beruhte, dass die Physik nur Konzepte und Größen verwenden sollte, die auf Messungen basieren. Daher gab Heisenberg die visuelle Darstellung der Bewegung eines Elektrons in einem Atom auf. Makrogeräte können die Bewegung eines Teilchens nicht beschreiben und gleichzeitig Impuls und Koordinaten (also im klassischen Sinne) aufzeichnen, da die Wechselwirkung des Geräts mit dem Teilchen grundsätzlich unvollständig kontrollierbar ist – die Messung des Impulses reicht aufgrund der Unsicherheitsbeziehung nicht aus möglich, die Koordinaten zu bestimmen und umgekehrt. Mit anderen Worten: Aufgrund der grundsätzlichen Ungenauigkeit der Messungen können die Vorhersagen der Theorie nur probabilistischer Natur sein, und die Wahrscheinlichkeit ist eine Folge der grundsätzlichen Unvollständigkeit der Informationen über die Bewegung des Teilchens. Dieser Umstand führte zu der Schlussfolgerung über den Zusammenbruch des Kausalitätsprinzips im klassischen Sinne, das die Vorhersage exakter Impuls- und Koordinatenwerte voraussetzte. Im Rahmen der Quantentheorie sprechen wir also nicht von Fehlern in der Beobachtung oder im Experiment, sondern von einem grundsätzlichen Mangel an Wissen, der durch die Wahrscheinlichkeitsfunktion ausgedrückt wird.
Heisenbergs Interpretation der Quantentheorie wurde von Bohr entwickelt und wurde als Kopenhagener Interpretation bekannt. Im Rahmen dieser Interpretation ist die Hauptposition der Quantentheorie das Prinzip der Komplementarität, das heißt die Forderung, sich gegenseitig ausschließende Klassen von Konzepten, Instrumenten und Forschungsverfahren zu verwenden, die in ihren spezifischen Bedingungen eingesetzt werden und sich gegenseitig ergänzen, um zu erhalten ein ganzheitliches Bild des Untersuchungsgegenstandes im Erkenntnisprozess. Dieses Prinzip ähnelt der Heisenberg-Unschärferelation. Wenn es darum geht, Dynamik und Koordinaten als sich gegenseitig ausschließende und ergänzende Forschungsverfahren zu definieren, dann gibt es Gründe, diese Prinzipien zu identifizieren. Die Bedeutung des Komplementaritätsprinzips ist jedoch weiter gefasst als Unsicherheitsrelationen. Um die Stabilität des Atoms zu erklären, kombinierte Bohr klassische und Quantenkonzepte der Elektronenbewegung in einem Modell. Das Komplementaritätsprinzip ermöglichte somit die Ergänzung klassischer Ideen durch Quantenideen. Nachdem Bohr den Gegensatz zwischen den Wellen- und Korpuskulareigenschaften des Lichts identifiziert und ihre Einheit nicht gefunden hatte, neigte er dazu, über zwei einander äquivalente Beschreibungsmethoden nachzudenken – Welle und Korpuskular – mit ihrer anschließenden Kombination. Es ist also zutreffender zu sagen, dass das Komplementaritätsprinzip eine Weiterentwicklung der Unschärferelation ist, die die Beziehung zwischen Koordinate und Impuls ausdrückt.
Eine Reihe von Wissenschaftlern hat die Verletzung des Prinzips des klassischen Determinismus im Rahmen der Quantentheorie zugunsten des Indeternismus interpretiert. In Wirklichkeit hat hier das Prinzip des Determinismus seine Form verändert. Wenn im Rahmen der klassischen Physik zum Anfangszeitpunkt die Positionen und der Bewegungszustand der Elemente des Systems bekannt sind, ist es möglich, seine Position zu jedem zukünftigen Zeitpunkt vollständig vorherzusagen. Alle makroskopischen Systeme unterlagen diesem Prinzip. Selbst in den Fällen, in denen die Einführung von Wahrscheinlichkeiten erforderlich war, wurde immer davon ausgegangen, dass alle Elementarprozesse streng deterministisch seien und nur ihre große Anzahl und ihr ungeordnetes Verhalten dazu zwangen, auf statistische Methoden zurückzugreifen. In der Quantentheorie ist die Situation grundlegend anders. Um die Prinzipien der Deterternisierung umzusetzen, ist es notwendig, die Koordinaten und Impulse zu kennen, was durch die Unschärferelation verboten ist. Die Verwendung von Wahrscheinlichkeiten hat hier eine andere Bedeutung als in der statistischen Mechanik: Wurden in der statistischen Mechanik Wahrscheinlichkeiten zur Beschreibung großräumiger Phänomene verwendet, so werden in der Quantentheorie im Gegenteil Wahrscheinlichkeiten zur Beschreibung der Elementarprozesse selbst eingeführt. All dies bedeutet, dass in der Welt der Großkörper das dynamische Prinzip der Kausalität und in der Mikrowelt das probabilistische Prinzip der Kausalität gilt.
Die Kopenhagener Interpretation setzt einerseits eine Beschreibung von Experimenten im Sinne der klassischen Physik und andererseits die Erkenntnis voraus, dass diese Konzepte nicht genau dem tatsächlichen Sachverhalt entsprechen. Es ist diese Inkonsistenz, die die Wahrscheinlichkeit der Quantentheorie bestimmt. Die Konzepte der klassischen Physik bilden einen wichtigen Bestandteil der natürlichen Sprache. Wenn wir diese Konzepte nicht zur Beschreibung der von uns durchgeführten Experimente verwenden, werden wir uns nicht verstehen können.
Das Ideal der klassischen Physik ist die völlige Objektivität des Wissens. Aber in der Erkenntnis verwenden wir Instrumente, und dadurch wird, wie Heinserberg sagt, ein subjektives Element in die Beschreibung atomarer Prozesse eingeführt, da das Instrument vom Beobachter geschaffen wurde. „Wir müssen bedenken, dass das, was wir beobachten, nicht die Natur selbst ist, sondern die Natur, wie sie durch unsere Art, Fragen zu stellen, erscheint. Die wissenschaftliche Arbeit in der Physik besteht darin, der von uns verwendeten Sprache Fragen über die Natur zu stellen und zu versuchen, die Antwort in einem Experiment zu finden.“ durchgeführt mit Hilfe der uns zur Verfügung stehenden Mittel. In diesem Fall erinnern wir uns an die Worte von Bohr zur Quantentheorie: Wenn wir nach Harmonie im Leben suchen, dürfen wir niemals vergessen, dass wir uns im Spiel des Lebens befinden Zuschauer und Teilnehmer zugleich. Es ist klar, dass in unserem wissenschaftlichen Verhältnis zur Natur die eigene Tätigkeit dort wichtig wird, wo wir uns mit Naturbereichen auseinandersetzen müssen, die nur dank der wichtigsten technischen Mittel erschlossen werden können.“
Es erwies sich auch als unmöglich, klassische Raum- und Zeitkonzepte zur Beschreibung atomarer Phänomene zu verwenden. Hier ist, was ein anderer Schöpfer der Quantentheorie dazu schrieb: „Die Existenz des Wirkungsquantums offenbarte einen völlig unerwarteten Zusammenhang zwischen Geometrie und Dynamik: Es stellte sich heraus, dass die Möglichkeit, physikalische Prozesse im geometrischen Raum zu lokalisieren, von ihrem dynamischen Zustand abhängt.“ Die allgemeine Relativitätstheorie hat uns bereits gelehrt, die lokalen Eigenschaften der Raumzeit in Abhängigkeit von der Verteilung der Materie im Universum zu berücksichtigen. Die Existenz von Quanten erfordert jedoch eine viel tiefere Transformation und erlaubt uns nicht mehr, die Bewegung eines Physischen darzustellen Objekt entlang einer bestimmten Linie in der Raumzeit (Weltlinie). Es ist nicht mehr möglich, den Bewegungszustand anhand der Kurve zu bestimmen, die aufeinanderfolgende Positionen eines Objekts im Raum über die Zeit darstellt. Jetzt müssen wir den dynamischen Zustand nicht als betrachten eine Folge der räumlich-zeitlichen Lokalisierung, sondern als unabhängiger und zusätzlicher Aspekt der physischen Realität“
Diskussionen über das Problem der Interpretation der Quantentheorie brachten die Frage nach dem eigentlichen Status der Quantentheorie zum Vorschein – ob es sich um eine vollständige Theorie der Mikroteilchenbewegung handelt. Die Frage wurde erstmals von Einstein so formuliert. Seine Position drückte sich im Konzept der versteckten Parameter aus. Einstein ging von dem Verständnis der Quantentheorie als einer statistischen Theorie aus, die Muster beschreibt, die sich nicht auf das Verhalten eines einzelnen Teilchens, sondern seines Ensembles beziehen. Jedes Teilchen ist immer streng lokalisiert und hat gleichzeitig bestimmte Impuls- und Koordinatenwerte. Die Unsicherheitsbeziehung spiegelt nicht die reale Struktur der Realität auf der Ebene der Mikroprozesse wider, sondern die Unvollständigkeit der Quantentheorie – nur haben wir auf ihrer Ebene nicht die Fähigkeit, Impuls und Koordinaten gleichzeitig zu messen, obwohl sie tatsächlich existieren, sondern als versteckte Parameter (im Rahmen der Quantentheorie verborgen). Einstein hielt die Beschreibung des Zustands eines Teilchens mithilfe der Wellenfunktion für unvollständig und präsentierte die Quantentheorie daher in Form einer unvollständigen Theorie der Bewegung eines Mikroteilchens.
Bohr vertrat in dieser Diskussion die gegenteilige Position, basierend auf der Erkenntnis, dass die objektive Unsicherheit der dynamischen Parameter eines Mikroteilchens der Grund für die statistische Natur der Quantentheorie ist. Seiner Meinung nach lässt Einsteins Leugnung der Existenz objektiv unsicherer Größen die dem Mikroteilchen innewohnenden Wellenmerkmale ungeklärt. Bohr hielt eine Rückkehr zu klassischen Konzepten der Mikropartikelbewegung für unmöglich.
In den 50er Jahren Im 20. Jahrhundert kehrte D. Bohm zum Konzept der Pilotwelle von de Broglie zurück und stellte die Psi-Welle als ein reales Feld dar, das mit einem Teilchen verbunden ist. Befürworter der Kopenhagener Interpretation der Quantentheorie und sogar einige ihrer Gegner unterstützten Bohms Position nicht, aber sie trug zu einer tiefergehenden Ausarbeitung von de Broglies Konzept bei: Das Teilchen wurde als eine besondere Formation betrachtet, die entsteht und sich hineinbewegt das Psi-Feld, behält aber seine Individualität. Die Arbeiten von P. Vigier und L. Janosi, die dieses Konzept entwickelt haben, wurden von vielen Physikern als zu „klassisch“ beurteilt.
In der heimischen philosophischen Literatur der Sowjetzeit wurde die Kopenhagener Interpretation der Quantentheorie wegen ihres „Bekenntnis zu positivistischen Einstellungen“ bei der Interpretation des Erkenntnisprozesses kritisiert. Eine Reihe von Autoren verteidigten jedoch die Gültigkeit der Kopenhagener Interpretation der Quantentheorie. Mit der Ablösung des klassischen Ideals wissenschaftlicher Erkenntnis durch ein nichtklassisches Ideal ging die Einsicht einher, dass der Beobachter, der versucht, sich ein Bild von einem Objekt zu machen, nicht vom Messvorgang abgelenkt werden darf, d.h. Der Forscher ist nicht in der Lage, die Parameter des Untersuchungsobjekts so zu messen, wie sie vor dem Messvorgang waren. W. Heisenberg, E. Schrödinger und P. Dirac legten die Unschärferelation als Grundlage der Quantentheorie fest, in deren Rahmen Teilchen keinen bestimmten und unabhängigen Impuls und Koordinaten mehr hatten. Die Quantentheorie führte somit ein Element der Unvorhersehbarkeit und Zufälligkeit in die Wissenschaft ein. Und obwohl Einstein dem nicht zustimmen konnte, stimmte die Quantenmechanik mit dem Experiment überein und wurde daher zur Grundlage vieler Wissensgebiete.

Dieser Plan wird in der Arbeit von Bose et al. – den elf Experten von Ocean für verschiedene Phasen des Vorschlags – ausführlicher beschrieben. In seinem Labor an der University of Warwick arbeitet Co-Autor Gavin Morley beispielsweise am ersten Schritt und versucht, einen Mikrodiamanten an zwei Stellen in eine Quantenüberlagerung zu versetzen. Dazu wird er ein Stickstoffatom im Mikrodiamanten neben einer Lücke in der Diamantstruktur (dem sogenannten NV-Zentrum oder stickstoffsubstituierten Lücke im Diamant) einschließen und es mit einem Mikrowellenpuls aufladen. Ein um das NV-Zentrum rotierendes Elektron absorbiert gleichzeitig Licht und tut es nicht, und das System geht in eine Quantenüberlagerung zweier Spinrichtungen – nach oben und nach unten – über, wie ein Kreisel, der sich mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit im Uhrzeigersinn und mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit gegen den Uhrzeigersinn dreht. Ein mit diesem Überlagerungsspin beladener Mikrodiamant wird einem Magnetfeld ausgesetzt, das bewirkt, dass sich der obere Spin nach links und der untere Spin nach rechts bewegt. Der Diamant selbst spaltet sich in eine Überlagerung zweier Flugbahnen auf.

Nachdem die Mikrodiamanten drei Sekunden lang nebeneinander gefallen sind – lange genug, um sich in der Schwerkraft zu verfangen – durchlaufen sie ein weiteres Magnetfeld, das die Zweige jeder Überlagerung erneut ausrichtet. Der letzte Schritt des Experiments ist das von der dänischen Physikerin Barbara Theral und anderen entwickelte Verschränkungszeugenprotokoll: Blaue und rote Diamanten gelangen in verschiedene Geräte, die die Spinrichtungen von NV-Zentrumssystemen messen. (Die Messung führt dazu, dass Überlagerungen in bestimmte Zustände zusammenbrechen.) Anschließend werden die beiden Ergebnisse verglichen. Indem Wissenschaftler das Experiment immer wieder durchführen und viele Paare von Spinmessungen vergleichen, können sie feststellen, ob die Spins zweier Quantensysteme tatsächlich häufiger korrelieren als die Obergrenze für Objekte, die nicht quantenmechanisch verschränkt sind. Wenn das der Fall ist, verwickelt die Schwerkraft tatsächlich Diamanten und kann Überlagerungen unterstützen.

„Das Interessante an diesem Experiment ist, dass man nicht wissen muss, was Quantentheorie ist“, sagt Blencowe. „Man muss lediglich sagen, dass es in dieser Region einen Quantenaspekt gibt, der durch die Kraft zwischen zwei Teilchen vermittelt wird.“

Was ist das Besondere an der Schwerkraft?

Quantengravitationsforscher haben keinen Zweifel daran, dass die Schwerkraft eine Quantenkraft ist, die Verschränkung verursachen kann. Natürlich ist die Schwerkraft etwas Einzigartiges, und über die Entstehung von Raum und Zeit gibt es noch viel zu lernen, aber die Quantenmechanik sollte auf jeden Fall einbezogen werden, sagen Wissenschaftler. „Was bringt eigentlich eine Theorie, in der der größte Teil der Physik Quantenphysik und die Schwerkraft klassisch ist“, sagt Daniel Harlow, Quantengravitationsforscher am MIT. Die theoretischen Argumente gegen gemischte quantenklassische Modelle sind sehr stark (wenn auch nicht schlüssig).

Nach der Lektüre der Papiere schrieb Dyson: „Das vorgeschlagene Experiment ist sicherlich von großem Interesse und erfordert die Durchführung unter den Bedingungen eines echten Quantensystems.“ Er stellt jedoch fest, dass die Gedankengänge der Autoren zu Quantenfeldern von seinen abweichen. „Mir ist nicht klar, ob dieses Experiment die Frage nach der Existenz der Quantengravitation klären kann. Die Frage, die ich gestellt habe – ob es sich um ein separates beobachtetes Graviton handelt – ist eine andere Frage und könnte eine andere Antwort darauf haben.“

„Aber wenn man dieses einfache Experiment durchführt und zeigt, dass das Gravitationsfeld überlagert war, wird das Scheitern der klassischen Beschreibung offensichtlich. Denn es wird ein Experiment geben, das impliziert, dass Schwerkraft Quanten ist.“

Basierend auf Materialien des Quanta Magazine